Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Von Bedeutung ist auch, dass die Keramiksubstrate nicht völlig starr sind, sondern sich etwas
biegen lassen, ohne zu zerbrechen. Dadurch passen sich die Substrate unter Druck auch an nicht
ideal ebene Kühlkörper gut an. Entscheidend ist, dass das Isoliersubstrat nicht nur in den Ecken,
sondern an möglichst vielen Stellen, zum Beispiel zentral und längs des Umfanges, aber auch
neben oder zwischen den Chips an den Kühlkörper gepresst wird. Dadurch ist eine gute Anpassung
der DCB an die Oberfläche des Kühlkörpers sicher gestellt. Die Dicke der den thermischen
Kontakt zum Kühlkörper vermittelnden Wärmeleitpaste kann daher viel geringer gewählt werden
(etwa 20…30 µm) als bei konventionellen Modulen, die nur an den Ecken oder den Schmalseiten
durch Schrauben an den Kühlkörper gepresst werden. Bei diesen Standardmodulen muss die
Dicke der Wärmeleitpaste 70 µm bis 120 µm betragen, um Luftblasen zwischen den nie ideal ebenen
Oberflächen von Modul und Kühlkörper zu vermeiden. Die deutlich dünnere Wärmeleitpaste
führt zu einem kleineren statischen thermischen Widerstand von SKiiP®-Aufbauten verglichen mit
Standardmodulen. Der transiente Widerstand von SKiiP®-Modulen ist allerdings im Zeitbereich
von 0,1 s bis 1 s geringfügig höher.
Standard Baseplate Module
Baseplate
Chip Chip
Solder
Module in SKiiP ® -Technology
P r e s s u r e
Heat sink
Heat sink
Heat sink
Thermal grease
a) b)
Bild 2.5.10 Durchbiegung der Bodenplatte und Erfordernis an Wärmeleitpastendicke bei einem konventionellen
Modul (a) und bei einem Modul in SKiiP®-Technologie (b)
2.5.2 Aufgaben und Eigenschaften
2.5.2.1 Isolation
Bei Bauelementen mit elektrischer Isolation zwischen den stromführenden Teilen und der Bodenplatte
(Halbleitermodulen) werden als isolierende Materialien Kunststoffe, für höhere Leistungen
Isolatoren auf Keramikbasis eingesetzt. Kunststoffe, in der Regel dünne Schichten aus Polyimid
oder Epoxid, haben einen wesentlich höheren thermischen Widerstand als Keramikisolatoren. Ein
Beispiel für Kunststoffisolation sind die IMS-Substrate (Insulated Metal Substrates, Bild 2.5.11).
Vor allem im low cost/low power-Bereich wird IMS angewendet, bei der sich das Isoliermaterial
direkt auf der Bodenplatte befindet. Die oberseitige Kupferschicht wird als Folie aufgeklebt und
mittels Ätzung strukturiert. Vorteile der IMS-Technologie sind geringe Kosten, die feine Strukturierbarkeit
der Leiterbahnen (Integrationsmöglichkeit für Ansteuer- und Schutzeinrichtungen) und
eine hohe mechanische Robustheit des Substrates.
Die sehr dünne Isolation hat jedoch den Nachteil vergleichsweise hoher Koppelkapazitäten zur
Montagefläche. Weiterhin ermöglicht die sehr dünne oberseitige Kupferschicht nur eine vergleichsweise
geringe Wärmespreizung. Diese kann durch zusätzliche metallische Wärmespreizschichten
unter den Chips oder eine mit Al-Partikeln versetzte Isolierschicht unterstützt werden.
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